基于集成式推進系統(tǒng)的水下航行體減振降噪研究方向探討

方 石，王夢璇

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基于集成式推進系統(tǒng)的水下航行體減振降噪研究方向探討

方 石1，王夢璇2

（1.海軍裝備部 ，北京 100001，2.第 710研究所，湖北宜昌443003）

對水下航行體集成式推進系統(tǒng)特點進行了闡述。探討了針對降噪設計應開展的低噪聲水密永磁電機研究、低噪聲推進器研究、螺旋槳伴流場優(yōu)化、艇體通道特性研究等具體方向。以控制航行體噪聲技術狀態(tài)為目的，提出了狀態(tài)評價方法的若干研究思路。

水下航行體 降噪 永磁電機 推進器

0 引言

水下航行體集成式推進系統(tǒng)使用電力作為直接能源，推進電機采用直流永磁電機，推進器為泵噴推進器或螺旋槳。其結構特征有三點：1.推進電機自身水密耐壓，與海水直接接觸；2.電機出軸直接連接推進器；3.推進機構與航行體主殼體僅存在靜態(tài)的機械接口。該種推進系統(tǒng)相比傳統(tǒng)艦艇推進系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

1）推進軸系簡化。軸系長度短，降低了軸系與主殼體及支撐軸承、泵噴轉子與導管的對中不良帶來的振動噪聲影響，同時軸承數(shù)量可由原來的5-6個減少為2-3個，減少了軸承噪聲源。

2）更加模塊化。推進系統(tǒng)與主殼體之間的物理位置界面清晰，降低了結構之間的耦合環(huán)節(jié)，利于識別噪聲源，并采取針對性措施（如在主殼體與電機之間設置隔振器，其柔度幾乎不影響軸系對中），同時，推進系統(tǒng)的布置位置更加靈活，可布置在航行體主體兩側。

3）利于電機散熱。水與電機直接接觸，可迅速將熱量帶走，消除了電機冷卻機構發(fā)出的噪聲。尤其對于由高比能電池組供電的航行體，艙內熱源減少、溫度降低，可提高電池組使用安全性。

在減振降噪設計與研究方面，現(xiàn)代的大型AUV與潛艇具有極大的相似性。潛艇未來的發(fā)展方向也包含了集成艉部結構、永磁推進電機、泵噴推進器等技術。通過對基于集成式推進系統(tǒng)的無人水下航行體減振降噪的研究，不僅可解決部分軍用無人水下航行體對減振降噪的迫切需求，更重要的是可預先在潛艇模型尺度上驗證一些新理論、新技術、新方案、新方法的效果，然后逐步大型化，實現(xiàn)潛艇實尺度上的工程應用，從而服務于常規(guī)潛艇、核潛艇的減振降噪設計，降低大型武器裝備的研制周期、研制經費和研制風險。以下分別在設計和技術狀態(tài)評價方法兩方面，探討若干研究方向。

1 減振降噪設計的研究方向

1.1低噪聲水密永磁電機的研究

與傳統(tǒng)的艦船推進用電機相比，永磁電機具有重量輕、尺寸小、效率高等諸多優(yōu)點，同時結構簡單、可靠性高、維護簡便。目前，許多國家正在開發(fā)或已經開發(fā)了永磁電力推進系統(tǒng)，其中德國、法國已裝備潛艇，俄羅斯也有永磁推進電機研制的報道[1]。

永磁推進電機的振動噪聲控制是涉及機、電、磁、系統(tǒng)耦合的新型邊緣科學。永磁電機振動和噪聲主要為電磁振動噪聲、機械振動噪聲和空氣動力振動噪聲。需要開展永磁推進電機振動噪聲機理分析，主要包括機械和電磁耦合動力特性分析、電磁力波和脈動扭矩關系的研究、殼體振動模態(tài)與聲輻射的研究等。

根據(jù)現(xiàn)有AUV產品的研究經驗，永磁電機的電磁場分析、電磁設計、磁極結構、變流調速控制方法、軸系及軸承支撐設計、充油形式等是影響航行體系統(tǒng)振動噪聲的關鍵因素，且其與負載的耦合特性明顯。因此，永磁電機減振降噪設計的主要研究方向可概括為三方面，即電磁方案設計、機械方案設計和與螺旋槳的耦合設計。

1.1.1電磁方案

電磁方案設計對航行體系統(tǒng)的航行輻射噪聲影響達10 dB以上。某AUV試驗中，電機A與電機B的機械結構設計基本一致，電磁方案上采用了不同的極槽配合與控制方式，與同一推進器配合安裝于同一航行體，經航行輻射噪聲測試試驗，安裝電機B時，系統(tǒng)航行輻射噪聲較安裝電機A時大約10 dB。頻譜分析顯示，噪聲主要來源為頻率為偶數(shù)倍電機基頻的線譜。后續(xù)需繼續(xù)開展對其發(fā)聲機理、抑制方法的研究。

對電機A的變流調速控制方法調整后進行對比試驗，系統(tǒng)水下輻射噪聲測試結果相差約4dB。試驗表明，最優(yōu)控制方法的選取與負載特性存在很大關聯(lián)，如何與負載特性匹配設計是下一步研究的關鍵。

永磁電機電磁方案設計對系統(tǒng)總體航行輻射噪聲貢獻較大，需結合頻譜特征深入研究其振動噪聲發(fā)生機理，尋找的有效降噪措施將能顯著降低系統(tǒng)的航行輻射噪聲。由于電磁方案更改對電機效率有一定影響，因此從總體設計上也應作相應權衡。

1.1.2機械方案

AUV試驗反映，軸系縱向振動引起的發(fā)聲占輻射噪聲成分較大，該縱振與軸系模態(tài)具有關聯(lián)性，受到軸系剛度的直接影響。而軸承的剛度顯然影響整個軸系的剛度，試驗用電機選用的軸承為滾珠軸承，滾珠軸承的剛度可借軸承預緊來獲得很大程度的提高，預緊的實質在于消除間隙和使?jié)L動體產生初始壓應變，該種措施能較大的提高滾動體的剛度，從而影響軸系。但預緊力對軸承壽命有一定影響，其大小的選取還需進一步比較其減振降噪收益加以確認。

試驗還選用了不同品牌、同一型號、同一精度等級的軸承安裝于電機A，系統(tǒng)水下輻射噪聲測試結果相差約3dB。據(jù)此，需對軸承差異開展精細檢測，研究以抑制其振動噪聲為目的的軸承選型、檢測方法。

為適應電機的水下耐壓要求，電機A有充油與非充油方案，試驗顯示，同一電機采取充油措施后，系統(tǒng)水下輻射噪聲降低約4dB?？赡芘c電機內部氣隙噪聲、介質的粘性或聲阻抗相關。充油對電機噪聲的影響仍需分析機理，在工程應用層面，亦可開展充油占據(jù)空間比例、油品牌號、粘度等影響的研究。

1.1.3與螺旋槳的耦合

螺旋槳是一種將旋轉力轉化為縱向力的裝置，其工作在航行體主體后方非均勻的伴流場中，極易將受到的扭轉擾動轉化為縱向振動，且槳葉本身沿艇體縱向的剛度較弱，容易產生縱振。當其與推進電機直接連接時，和電機軸系產生的振動耦合不容忽視。

試驗顯示，當推進電機帶螺旋槳與不帶螺旋槳等轉速運轉時，系統(tǒng)水下輻射噪聲相差8 dB～-10 dB，頻譜中未見明顯的螺旋槳葉頻或倍葉頻噪聲，而電機的振動噪聲特征和螺旋槳葉片的固有頻率成分較明顯。調整電機變流調速控制方法后，螺旋槳葉片的固有頻率成分下降。這一方面說明電機帶載后自身噪聲增大，另一方面說明兩者發(fā)生了某種程度的振動耦合。

因此，需開展針對永磁電機直接帶動螺旋槳形式負載耦合作用的研究，特別是與軸系縱振相關的耦合振動。

1.2低噪聲推進器的研究

為得到一個性能良好、噪聲低的推進器，必須結合艉部結構與流場進行精心設計、精心試驗、精心施工，最終通過實航驗證，在各種航速、各種潛深和機動等情況下測量噪聲，并在分析的基礎上合理地研究聲學設計中所采取措施的有效性及推進器引起的對航行體水下輻射噪聲的貢獻，并將這些結果用于查明在設計階段未考慮到影響這些噪聲分量的因素，以便修正設計計算方法并積累后續(xù)航行體的設計經驗，以求不斷改進。

推進器設計的研究可分為兩個方面：一是理論設計方向的研究，得出哪些措施可降低推進器噪聲；二是與推進器制造加工相關的設計研究，以保證實物與理論設計的符合性。

1.2.1理論設計方向研究

現(xiàn)有的設計手段已能較好的滿足推進器在全工況無空泡的需求，卡門渦街引起的螺旋槳唱音也能在工程上通過隨邊削邊解決，在此主要分析抑制推進器非空泡噪聲的一些設計方向。

上世紀50年代，美國海軍曾試圖采用對轉螺旋槳降低核潛艇上的螺旋槳噪聲，雖有一定降噪效果，但因一些工程難題并未推廣試用。爾后30年，研究重點投向7葉大側斜螺旋槳[2]。目前，7葉大側斜螺旋槳的應用已較普遍，其降噪效果已接近極限，進一步挖潛空間有限。從90年代開始，新型的泵噴推進器逐步在國外得到應用，據(jù)報道，13葉泵噴推進器比常規(guī)槳噪聲小20 dB。英國的所有潛艇，美國的“海狼”級等新型潛艇，以及法國的新型潛艇均采用了這種技術。俄羅斯開展了潛艇泵噴推進器的模型試驗研究，并已通過白鯨級試驗艇的實艇試驗。在我國，泵噴推進器的應用還不多，在AUV上的試驗顯示，泵噴推進系統(tǒng)相比對轉螺旋槳推進系統(tǒng)的航行輻射噪聲低約11dB。由于工程應用經驗有限，泵噴推進器的一些技術細節(jié)還未充分認知，技術潛力待深入發(fā)掘。

現(xiàn)有的推進器模型試驗指出，泵噴推進器易產生較多的低頻激振力，其低噪聲性能有可能不如設計優(yōu)良的7葉大側斜槳。由于推進器模型試驗存在一定局限，在循環(huán)水槽內難以對低頻噪聲進行直接測量，測出的低頻激振力是否為總體輻射聲的主要成分還未可知，因此泵噴推進器與7葉大側斜槳的低噪聲性能，仍需通過實尺度航行體的航行輻射噪聲測試進一步對比確認。

泵噴推進器運轉過程中，轉子葉梢與導管間的梢隙會形成梢渦或不穩(wěn)定流動。上海交大錢曉南教授認為：由于梢渦等的存在，在槳葉梢部出現(xiàn)肉眼可見的空泡之前，已經形成了“聲學”空泡，有時會產生頻率單調的“汽笛聲”[3]。該種梢渦或梢隙渦目前還難以采用理論方法進行預報，需要通過試驗研究深入分析。俄羅斯的潛艇螺旋槳一般采用比較明顯的葉梢卸載，以避免此類噪聲的發(fā)聲。對于泵噴推進器，由于有導管的存在，可適當減小轉子的梢部卸載，學習飛機發(fā)動機的方法，在導管內壁梢隙區(qū)域，開一定數(shù)量的導流槽，阻止梢隙形成穩(wěn)定的梢隙渦，從而抑制其產生的噪聲。同時，梢隙大小的設計也需仔細研究。

傳統(tǒng)觀點分析認為，前置定子能整理轉子的伴流場，其低噪聲性能應優(yōu)于后置定子形式?，F(xiàn)在有聲音反映，后置定子的低噪聲性能可能優(yōu)于前置定子。因此，前置定子與后置定子形式的低噪聲性能仍需進一步試驗驗證。

在轉子轂帽上設置一定數(shù)量的轂帽鰭，抑制轂渦噪聲的效果，也需經過航行測噪試驗進行驗證。

導管采用加速型還是減速型，其對泵噴噪聲的影響同樣需要驗證。傳統(tǒng)觀點認為減速型導管對噪聲有利，加速性導管對推進器效率有利。某AUV試驗中，對比了兩種形式的泵噴推進器，泵噴A采用加速型導管，泵噴B采用非加速非減速型導管，而安裝泵噴A的系統(tǒng)航行輻射噪聲低4-8dB。需要說明的是，兩組泵噴定子、轉子設計存在較大差異，該試驗結果并不能直接說明導管的影響，僅能提示出減速導管的低噪聲性能并不絕對，導管的加減速形式對噪聲的影響仍需深入對比分析。

轉子、定子、導管選取的加工材料也需開展分析、研究、驗證工作。由于泵噴推進器的重量較7葉大側斜槳顯著增加，為航行體總體衡重帶來較大負擔，難以全部采用實體金屬材料制造。當需要選用金屬空腔結構或復合材料結構制造時，材料和結構形式對噪聲的影響就需要重新考核評判。某AUV航行測噪試驗中，比較了碳纖維復合材料轉子與銅轉子的噪聲性能，未見碳纖維轉子低噪聲性能上的明顯優(yōu)勢。保證對比試驗的航行體配置相同，更換轉子配置進行多次對比試驗。結果顯示，碳纖維轉子與銅轉子噪聲相差 ±2dB。這說明該形式推進系統(tǒng)中，復合材料轉子固有頻率特征的影響大于材料阻尼率增大的影響。

1.2.2制造加工相關的設計研究

泵噴推進器的定子、導管、轉子表面均為復雜的三維曲面結構，加工難度高。根據(jù)產品研制經驗，即使采用德國進口的五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心制造，螺旋槳也不易滿足GB 12916《船用金屬螺旋槳技術條件》規(guī)定的S級精度要求，需配合一定的人工打磨工藝。這為螺旋槳的技術狀態(tài)固化帶來了一定風險。

試驗顯示，適當放寬加工精度要求，對螺旋槳的水動力性能并未構成可見影響。但針對螺旋槳的噪聲性能指標，加工精度能容忍到何種程度則需進一步探究，目的是找準推進器技術狀態(tài)控制的重點，減少盲目追求加工精度對產品研制進度、經費帶來的不利影響。

傳統(tǒng)的螺旋槳檢測方法（GB 12916《船用金屬螺旋槳技術條件》），檢測的主要指標為槳葉的螺距、厚度等參數(shù)，關注的重點為水動力性能。當需要對其噪聲性能技術狀態(tài)進行控制時，老國標評價能力是否仍然滿足要求值得研究。可研究出臺新的螺旋槳3D型值坐標檢測標準，重點關注對槳噪聲性能技術狀態(tài)的控制。

復合材料螺旋槳加工存在一些新的問題。由于復合材料槳依靠模具質量保證外形加工質量，目前階段其加工質量往往不如金屬槳，可能引起對其低噪聲性能的誤判。復合材料槳脫模后，隨著應力釋放，會出現(xiàn)變形，二次加工會損傷其纖維結構，通常不推薦采用。這就需在模具設計過程中，對模具型值做一定量的預置反變形設計，反變形量的選取仍需進一步研究。同時，復合材料槳長時間存放后，產生的蠕變量及力學性能衰減，也應通過相關試驗進行考核。復合材料槳纖維鋪層形式（平面層疊、三維編織等方式）對其噪聲性能、力學性能的影響也有待進一步研究。

1.3螺旋槳伴流場的優(yōu)化研究

由于水下航行器附體及操縱面對其繞流場的干擾，位于艉部的螺旋槳工作的伴流場是十分不均勻的。螺旋槳在這種不均勻的伴流場中作周期性的旋轉運動，槳葉與水流發(fā)生著復雜的、非定常的力學相互作用，這種相互作用同時造成了槳葉和水介質的受力變化，引起了結構振動、漩渦發(fā)放、空泡產生與潰滅等一系列發(fā)聲效應。與此同時，伴流場的不均勻性還是螺旋槳激振力產生的根本原因。除了針對螺旋槳采取措施（增大側斜、增加葉數(shù)等）使其適應這種不均勻工作流場外，改善螺旋槳的工作環(huán)境，降低螺旋槳伴流場的不均勻程度，無論對降低螺旋槳自身輻射噪聲還是對降低螺旋槳激振力誘發(fā)的機械振動噪聲而言，都是一種極其必要的手段。

通過對整流附體展開相關研究，可尋求一種降噪效果最佳的整流附體形式。整流手段包括設置附體填角、升翼面、附體噴流、消渦整流片等技術措施。目前，附體填角形式已在美國“海狼”級潛艇、俄羅斯“北德文斯克”級潛艇和我國潛艇上得到廣泛應用。某AUV航行輻射噪聲測試顯示，設置艉翼填角后，噪聲下降約4dB?？梢姡瑑?yōu)化伴流場的減振降噪效果良好。

俄羅斯開展了舵面到螺旋槳距離設置的相關研究，結果顯示其對噪聲存在一定影響。該點值得借鑒，開展應用型研究。

對新式推進系統(tǒng)總體布置形式展開試驗研究。螺旋槳伴流場的不均勻性來自于前方航行體對水的擾動，可嘗試改變推進系統(tǒng)總體布置，將推進器與推進電機組合成的吊艙推進系統(tǒng)布置在航行體兩側，其中推進器在電機前方。如此以來，推進器的進流為幾乎完全均勻的敞水進流，應對推進器的噪聲和激振力有明顯改善。

1.4艇體振動傳播通道特性的研究

無論何時，抑制振動噪聲的發(fā)生源頭是減振降噪的首要選擇，上述三點皆是出于這種考量。當振動噪聲源頭無法進一步削弱時，阻斷其傳播輻射路徑也不失為一種好的手段。

艇體通道需針對特定的航行體目標進行設計，按照激勵源特性配合設計總體形式，盡量使系統(tǒng)各部件的阻抗失配以抑制結構噪聲的傳遞?？赏ㄟ^改變環(huán)筋布置形式、改變設備質量分布、設置剛性阻振結構、設置隔振器、敷設阻尼材料等措施達到設計目的。

某AUV航行輻射噪聲測量試驗中，測試了在推進電機與航行體之間設置隔振器的降噪效果。采用了泵噴A與泵噴C兩種推進器進行對比試驗，兩者僅轉子存在差異。當不安裝隔振器時，泵噴A噪聲較泵噴C小約3dB；當安裝隔振器后，泵噴A噪聲無變化，泵噴C噪聲減小約3dB。該

試驗說明，艇體通道需要根據(jù)激勵源進行匹配設計?？傮w布置上，還可基于集成式推進系統(tǒng)進行大機械阻抗隔艙壁設計，并開展試驗研究，進一步驗證潛艇集成艉部結構的降噪效果。該種隔艙壁設計已在德國潛艇上得到應用。

2 振動噪聲技術狀態(tài)評價方法的研究方向

水下航行體噪聲控制技術的發(fā)展在很大程度上以航行體實尺度信息為基礎，以系統(tǒng)實際降噪效果為依據(jù)。但若僅在系統(tǒng)層面考核振動噪聲技術狀態(tài)、解決減振降噪問題，不僅會因振動噪聲耦合成分過多，難以精確定位識別噪聲源并采取針對性措施，而且耗資大、耗時長。尤其對于潛艇，若其船臺建造過程已完成才發(fā)現(xiàn)問題，對其大型設備進行更換或改裝是十分困難的。因此，亟需對航行體各降噪相關部件建立一種可行的振動噪聲技術狀態(tài)評價方法。

該種評價方法的總體思路是，能在實驗室考核的技術狀態(tài)，不等到外場系統(tǒng)試驗中考核；能在外場系統(tǒng)試驗岸上考核的技術狀態(tài)，不等到水下試驗中考核；能在水下系樁考核的技術狀態(tài)，不等到航行試驗中考核。目的在于及早發(fā)現(xiàn)并解決問題，提高研制效率，降低裝備批量生產時的狀態(tài)偏移風險。

為了建立一種可靠的評價方法，需要進行大量的振動噪聲測試試驗及相關數(shù)據(jù)分析。擬通過水下航行試驗、水下系樁試驗、岸上系統(tǒng)試驗、實驗室部組件試驗數(shù)據(jù)的比對分析，將噪聲成分逐步分解，明確哪些成分可通過簡化的試驗條件模擬，然后逐項評價。摸索出來的方法，還能進一步指導各部組件的針對性優(yōu)化設計。

2.1推進電機技術狀態(tài)考核

目前，電機的振動噪聲技術狀態(tài)考核，是以空載運行工況作為考核條件。由于其空載與帶載時的振動噪聲差異較大，現(xiàn)有的考核方式并不能充分反映電機的振動噪聲技術狀態(tài)。而當前的測功機振動噪聲很大，若帶測功機考核電機，電機的振動噪聲特征將被淹沒，無法識別。

在此背景下，可考慮設計一種模擬螺旋槳負載的耗功設備，盡量采用非接觸方式模擬螺旋槳的推力、扭矩、質量、轉動慣量等參數(shù)，以此來考核電機帶載時的振動噪聲性能。

2.2推進器技術狀態(tài)考核

可考慮建立一種著眼噪聲性能的推進器加工精度檢測標準，制定一套測試螺旋槳干模態(tài)、濕模態(tài)的標準測試方法。同樣，考慮采用一型標準電機驅動推進器，直接考核實尺度推進器在水下某些方面的噪聲性能。

2.3岸上系統(tǒng)試驗考核

在航行體系統(tǒng)組裝的各個時段直到下水前，摸索一套階段性的低噪聲技術狀態(tài)檢測方法，可包括運轉振動測試、模態(tài)測試、安裝精度測試、空氣中噪聲測試等。所有測試在先期形成數(shù)據(jù)積累，以航行輻射噪聲性能為最終考核標尺，通過對比分析逐步得出過程中的技術狀態(tài)考核、控制關鍵點。

2.4 水下系樁試驗考核

以航行輻射噪聲為依據(jù)，摸索在水下系樁狀態(tài)下能夠考核的振動、噪聲成分，以及考核方法，比如水中不帶槳工況考核軸系運轉噪聲、水中帶槳工況考核動力系統(tǒng)等功率或等轉速運轉噪聲、水下推進軸系模態(tài)測試等。以在水域環(huán)境等試驗條件受限的情況下，將噪聲技術狀態(tài)考核的關口前移。

3 結語

本文分析了水下航行體集成式推進系統(tǒng)的優(yōu)點。探討了從設計方面開展低噪聲水密永磁電機、低噪聲推進器、螺旋槳伴流場優(yōu)化、艇體振動傳播通道特性等若干研究方向及相關子方向。同時，以低噪聲技術狀態(tài)控制關口前移為目的，討論了樣機技術狀態(tài)評價方法的一些研究方向。

[1] 馬運義,許建. 現(xiàn)代潛艇設計原理與技術[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2012.

[2] 王漢剛. 美國核潛艇推進系統(tǒng)減振降噪技術發(fā)展分析[J]. 艦船科學技術, 2013, 35(7): 149-153.

[3] 錢曉南. 艦船螺旋槳噪聲[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 2011.

Research Directions of Vibration and Noise Reduction of Underwater Vehicle with Integrated Propulsion System

Fang Shi1, Wang Mengxuan2

(1.Naval Armament Department，Bejing 100001, China; 2.the 710th institute, Yichang 443003, Hubei, China)

U661.3

A

1003-4862（2016）05-0063-05

2015-10-09

方石(1984-)，男，工程師。研究方向：集成式電力推進系統(tǒng)。